花盆搬运机器人导航与识别系统设计与实现.pdf

124 花盆搬运机器人导航与识别系统设计与实现 宋百华 1 朱惠锋 1 黄进生 1 杨艳山 2 1 张家港市农业机械技术推广站 江苏 张家港 215600 2 苏州农业职业技术学院 江苏 苏州 215000 摘 要 针对盆栽花卉规模化种植中花盆间距调整的自动化需求 设计并实现了一套基于多传感器融合的花盆 搬运机器人导航与识别系统 系统通过单线雷达与 16 线激光雷达协同工作 结合 RGB D 摄像头 实现了复杂温 室环境下的高精度导航与花盆识别 导航系统采用改进的 SLAM 算法与双层路径规划策略 定位误差控制在 2 cm 以内 识别系统融合点云聚类与深度学习视觉检测 显著提升花盆抓取成功率 为盆栽种植自动化提供了可靠解决方 案 关键词 花盆搬运 机器人 系统设计 RGB D SLAM 深度学习 中图分类号 TP242 3 TP391 4 文献标识码 A 文章编号 2095 1302 2025 24 0124 03 0 引 言 随着盆栽花卉种植向规模化 集约化发展 传统人工管 理模式难以适配现代化生产需求 盆栽花卉不同生长阶段对 间距要求差异显著 幼苗期需密集摆放以提升空间利用率 生长期则需扩大间距保障光照与通风 而人工调节间距依赖 经验 精度难保证 且劳动强度大 效率低 在温室大棚高 温高湿的恶劣环境下 进一步加剧了用工难题 当前规模化 苗圃的盆栽搬运工作面临多重挑战 不仅劳动力资源紧缺 季节性工人招募难导致生产成本攀升 人工摆放随意性大也 使土地利用率偏低 同时 频繁搬运中人工操作易损伤盆栽 影响花卉品质与商品价值 以占地数百公顷 需搬运十万个 以上单重最高10 kg花盆的大型苗圃为例 人工搬运模式已 明显不适应当前产业规模 1 2 近年来 随着传感器技术 自主导航算法和机器视觉技 术的快速发展 农业机器人领域取得了显著进步 3 6 法国 Instar Robotics公司开发的 Trooper 机器人展示了自主盆 栽搬运系统的巨大潜力 该机器人采用3D激光雷达技术 能够在苗圃环境中自主导航并完成花盆搬运任务 为种植户 节省了15 的操作空间 国内学者也在此领域进行了积极探 索 如基于RGB D摄像头的识别定位算法研究 为花盆搬 运机器人的视觉系统设计提供了重要参考 7 11 然而 将搬 运机器人应用于实际温室环境仍面临诸多技术挑战 导航精 度不足可能导致机器人偏离路径 12 识别算法抗干扰能力差 会影响花盆抓取的成功率 动态环境适应性弱则限制了机器 人的工作效率 因此 开发一套能够在复杂温室环境中稳定 工作的花盆搬运机器人导航与识别系统 对推动盆栽花卉种 植自动化 智能化具有重要意义 本文针对盆栽花卉种植过程中的间距调整需求 设计了 一套专门用于温室环境的花盆搬运机器人系统 重点研究了 基于单线雷达与16线激光雷达的导航与识别系统 通过多 传感器融合技术提升环境感知能力 利用智能算法实现精准 路径规划与花盆识别 最终实现盆栽搬运过程的自动化与智 能化 实验结果表明 该系统能够有效提升盆栽间距调整的 效率与精度 减轻人工劳动强度 为盆栽花卉规模化种植提 供可靠的技术支持 1 花盆搬运机器人总体结构 花盆搬运机器人的整体架构采用模块化设计理念 由控 制系统 导航与识别系统 行走系统和夹取系统四大核心模 块构成有机整体 这种设计不仅便于系统维护与功能扩展 也提升了机器人在复杂温室环境中的可靠性与适应性 各系 统之间通过CAN总线实现高速数据交互 确保决策与执行 的实时性 花盆搬运机器人结构如图1所示 图 1 花盆搬运机器人结构 2 导航与识别系统设计 导航与识别系统作为花盆搬运机器人的核心模块 其设 收稿日期 2025 10 13 修回日期 2025 11 10 DOI 10 16667 j issn 2095 1302 2025 24 029 125 计直接关系到机器人在温室环境中的自主作业能力 本系统 采用多传感器融合技术 结合单线雷达与16线激光雷达的 优势 实现了环境感知 自主导航与花盆识别的多功能集成 以下将详细阐述系统的技术路线 工作原理与算法设计 2 1 系统架构与技术路线 导航与识别系统的硬件架构由感知层 决策层和执行层 组成 感知层包括单线雷达 16线激光雷达和RGB D摄像头 负责采集环境数据 决策层采用高性能嵌入式处理器 运行 同步定位与地图构建 SLAM 算法和花盆识别算法 执行 层则通过控制接口与行走系统和夹取系统交互 实现导航与 操作指令的精准执行 技术路线如图2所示 图 2 技术路线 2 2 导航系统设计 导航系统基于双雷达配置实现精准定位与环境建模 单 线雷达负责快速构建二维栅格地图 16线激光雷达则生成高 精度三维点云地图 两种地图的融合极大地提升了导航系统 的可靠性 环境建模采用改进的SLAM算法 该算法结合了基于 粒子滤波的Gmapping和基于图优化的Cartographer的优势 既保证建图的实时性 又提高地图的精度 具体而言 系统 首先利用单线雷达的扫描数据构建二维栅格地图 然后通过 16线激光雷达的点云信息补充地图细节 特别是花盆等障碍 物的三维轮廓 这种分层建图策略有效平衡了计算复杂度与 地图精度之间的关系 路径规划模块采用双层规划策略 包括全局路径规划和 局部避障规划 全局规划基于A 算法生成从起点到目标点 的最优路径 该算法通过启发式搜索在已知地图上寻找最短 可行路径 局部规划则采用动态窗口法 DWA 实时避障 该方法考虑机器人的运动学约束 在动态环境中选择安全且 平滑的运动轨迹 针对花盆搬运任务的特点 本研究提出了一种自适应路 径规划算法 该算法引入无序度量函数 UA 和有序度量 函数 OB 评估环境状态 从而动态调整路径策略 无序 度量函数定义为 UA null null null null null i n j m ij iiji ij i i xx yy zz 11 0 2 0 2 0 2 1 式中 n表示花盆种类数 m i 表示第i种花盆的数量 x ij y ij z ij 表示花盆实际位置 x 0i y 0i z 0i 表示花盆理想位置 UA值越小 表示花盆摆放越有序 定位导航基于扩展卡尔曼滤波 EKF 实现多传感器数 据融合 将轮式编码器 惯性测量单元 IMU 和激光雷达 的数据进行整合 显著提高了机器人的定位精度 在典型温 室环境中 机器人的定位误差可控制在 2 cm以内 完全满 足花盆搬运任务的精度要求 2 3 花盆识别系统设计 花盆识别系统采用16线激光雷达与RGB D摄像头相结 合的方案 通过点云处理与图像识别算法的融合 实现花盆 的精准识别与定位 点云处理算法首先对16线激光雷达采集的原始点云进 行预处理 包括离群点剔除 体素滤波降采样和地面平面分 割 然后通过欧氏聚类算法提取潜在花盆点云簇 并计算每个 点云簇的几何特征 如高度 半径 体积等 与预设花盆模 型进行匹配 视觉识别算法基于RGB D摄像头采集的图像数据 采 用深度学习与传统图像处理相结合的方法 首先利用改进的 YOLOv5模型实现花盆的初步检测 该模型在自制花盆数据 集上训练 能够准确识别多种规格和材质的花盆 然后通过 传统图像处理算法精炼识别结果 具体流程包括 1 颜色空间转换 将RGB图像转换到HSV颜色空间 增强对光照变化的鲁棒性 2 高鲁棒性色域分割 基于花盆颜色特征进行区域 分割 3 形态学操作 通过膨胀腐蚀操作消除噪声点 连接 断裂区域 4 边缘检测 使用Canny算子提取花盆边缘轮廓 5 形状拟合 基于最小二乘法拟合圆形 得到花盆的 中心位置和半径 位姿估计算法将点云信息与视觉识别结果进行融合 精 确计算花盆在机器人坐标系下的位置和姿态 通过坐标变换 将摄像头坐标系下的花盆坐标转换到机器人坐标系 为抓取 系统提供准确的定位信息 花盆中心位置计算如下 Xxn Yyn Zzn i i i i n i n i n c c c null null null null null null null null null null null null null null null null null null 1 1 1 2 式中 x i y i z i 表示花盆边缘点的三维坐标 n为边缘点数量 126 2 4 系统集成与优化 导航与识别系统的集成通过多模态数据融合框架实现 该框架采用基于贝叶斯估计的概率模型 将不同传感器提供 的信息进行统一表达与推理 提高了系统的鲁棒性与准确性 针对温室环境的特点 系统进行了多项优化 首先 引 入了光照自适应算法 使识别系统能够在不同光照条件下保 持稳定的性能 其次 设计了动态障碍物处理机制 使导航 系统能够区分静态花盆和动态障碍物 如工作人员 并采 取不同的避障策略 最后 开发了能耗优化策略 根据任务 需求动态调整传感器工作模式 延长机器人的续航时间 系统的软件架构采用ROS Robot Operating System 框 架 利用其丰富的功能包和工具集 实现了模块化开发与高效 集成 各功能模块以节点的形式运行 通过话题和服务进行通 信 这种松散耦合的设计提高了系统的可扩展性和可维护性 3 结 语 本文针对盆栽花卉种植行业面临的劳动力短缺 作业效 率低下和土地利用率不高等问题 设计并实现了一套花盆搬 运机器人导航与识别系统 该系统基于多传感器融合技术 结合单线雷达与16线激光雷达的优势 实现了在复杂温室 环境中的精准导航与花盆识别 系统设计的创新点主要体现在三个方面 首先 提出了 双雷达协同导航方案 通过单线雷达实现快速环境扫描与定 位 16线激光雷达完成精细环境建模 平衡了导航系统的实 时性与精度需求 其次 开发了多模态花盆识别算法 结合 点云处理与视觉识别技术 有效提升了花盆识别的准确性与 鲁棒性 最后 引入了无序度量函数与有序度量函数 使机 器人能够智能评估环境状态并优化作业策略 参考文献 1 赵亚平 杨艳山 花盆搬运机器人动态检测路径优化分析 J 农 业开发与装备 2025 3 72 76 2 樊萱 小型盆栽养护机器人系统设计及其关键技术研究 D 兰州 兰州大学 2023 3 肖皓峰 黄志芳 池昱昊 等 融合图像识别的立体农业搬运机 器人系统 J 物联网技术 2025 15 19 98 103 4 蔡宇哲 于潇泽 司香 等 果蔬采摘机器人末端执行器研究现 状分析 J 南方农机 2025 56 18 48 50 5 孙旌溪 谢雨晴 逄胜男 等 农业巡检机器人在桃园管理中的 应用现状 J 果树实用技术与信息 2025 10 52 53 6 毛诚纬 农业采摘机器人机械臂结构设计综述 J 中国农机装备 2025 9 72 74 7 唐敏璐 孙皇龙 钱程 等 基于RGB D传感器的神经隐式语 义SLAM系统 J 传感器与微系统 2025 44 10 56 60 8 刘生寿 杜敏 张旭 等 基于RGB D图像的机械臂工业零件 抓取研究 J 机床与液压 2025 53 17 66 75 9 张兰鑫 刘德儿 融合三维高斯泼溅的RGB D图像动态SLAM 建模方法 J 激光与光电子学进展 2025 62 16 121 129 10 王增喜 张庆余 贾通 等 基于RGB D摄像头的SLAM导航 算法研究 J 自动化与仪表 2021 36 4 73 78 11 刘鑫辰 傅慧源 马华东 基于RGB D摄像头的实时手指跟踪 与手势识别 J 计算机科学 2014 41 10 50 52 12 梁明旭 袁昌荣 夏先飞 等 机器人技术在蔬菜生产领域的 应用现状及发展趋势 J OL 智能化农业装备学报 中英文 1 14 2025 10 10 1009 1204 002 作者简介 宋百华 1987 男 研究方向为农机装备应用与推广 朱惠锋 1972 男 研究方向为农业推广与创新管理 黄进生 1968 男 研究方向为农业推广与创新管理 杨艳山 1988 男 研究方向为智能农机装备研发 上 接第 123页 作者简介 詹梓涵 1998 女 硕士 研究方向为智慧工程 地理信息科学 鞠津京 1989 男 高级工程师 研究方向为智慧工程 海洋测绘及工程测量 后期在数字沙盘的建设基础上 可以考虑充分挖掘数字 沙盘的业务应用 强化全场智能管理 以达到现状可视 问 题可查 风险可辨 未来可测的运维目标 参考文献 1 程忠波 浅析数字沙盘的设计与应用 J 电子制作 2014 24 68 2 杨海 孔为敏 数字孪生技术在机场建设中的应用 J 电子技术 与软件工程 2022 16 237 242 3 赵任远 数字孪生技术推动机场向智能建造和新基建创新转型 J 中国工程咨询 2021 3 41 45 4 苏向明 彭贵旭 李民生 等 三维电子沙盘交互展示应用设计 与实现 J 地理空间信息 2023 21 4 123 125 5 蔡量力 俞迪飞 李先楠 等 多时相InSAR技术在高速铁路沉 降监测的应用 J 铁道勘察 2023 49 2 28 32 6 关怀 李佳莉 熊泽祝 基于物联网技术的智慧机场设计与应用 探讨 J 建筑电气 2023 42 12 40 44 7 赖振贵 刘福光 梁景晖 等 白云国际机场三期扩建工程航站 区给排水设计介绍 消防系统设计及智慧消防技术应用 J 给水 排水 2023 59 5 134 139 8 田智凯 基于数字孪生的西安咸阳国际机场智慧消防系统设计与 实现 D 西安 西安工程大学 2023 9 顾兆军 张一诺 宋跃东 等 智慧机场物联网应用及网络安全 挑战 J 指挥信息系统与技术 2023 14 5 14 20 10 贾芊慧 数字孪生技术驱动下的机场安防系统信息化建设与展 望 J 网络安全和信息化 2023 7 21 22